La piattaforma del CNR che rivoluziona la bio-ingegneria
Controllare movimento, adesione e morfologia delle cellule rappresenta una delle sfide più importanti della biotecnologia contemporanea, con implicazioni decisive per medicina rigenerativa, ingegneria dei tessuti e neuroscienze.
Un nuovo studio condotto dall’Istituto di Scienze Applicate e Sistemi Intelligenti “Eduardo Caianiello” del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Pozzuoli (Cnr-Isasi) introduce una piattaforma innovativa capace di manipolare le cellule attraverso stimoli elettrici generati dalla luce, senza l’utilizzo di elettrodi fisici.
La ricerca, pubblicata sulla rivista scientifica internazionale Advanced Functional Materials, dimostra come sia possibile guidare il comportamento cellulare in modo wireless e non invasivo, aprendo nuove prospettive per la biologia cellulare e la medicina del futuro.
Una piattaforma bio-fotovoltaica guidata dalla luce
Tradizionalmente, per controllare le cellule nei sistemi sperimentali è necessario utilizzare elettrodi integrati su substrati biocompatibili, ottenuti tramite complessi processi di micro-fabbricazione.
Questa soluzione presenta però importanti limiti:
- ridotta flessibilità sperimentale
- geometrie di stimolazione fisse
- elevati costi di produzione.
Il team del Cnr-Isasi ha superato questi vincoli sviluppando una interfaccia bio-fotovoltaica all-optical, capace di generare campi elettrici controllati sfruttando le proprietà dei cristalli di niobato di litio drogati con ferro.
Quando il cristallo viene colpito da luce strutturata, si attiva l’effetto fotovoltaico del materiale ferroelettrico, producendo micro-pattern di cariche elettriche sulla superficie.
Queste micro-cariche funzionano come elettrodi virtuali, in grado di modulare il comportamento delle cellule senza alcun contatto fisico.
Elettrodi virtuali e controllo dinamico delle cellule
Secondo la ricercatrice Lisa Miccio del Cnr-Isasi, che ha guidato lo studio, la tecnologia rappresenta un vero cambio di paradigma nel bio-handling cellulare.
Sfruttando le proprietà fotovoltaiche dei cristalli ferroelettrici, il sistema elimina la necessità di:
- fili e collegamenti elettrici
- elettrodi fisici
- costosi processi litografici.
La piattaforma trasforma quindi il substrato stesso in un attuatore intelligente controllato dalla luce, capace di generare stimoli elettrici programmabili direttamente sulla superficie dove crescono le cellule.
In prospettiva, questo approccio potrebbe diventare uno strumento fondamentale per studiare la rigenerazione dei tessuti, la cicatrizzazione e i processi di sviluppo cellulare.
I risultati sperimentali: cellule guidate dal campo elettrico
La tecnologia è stata testata su fibroblasti NIH-3T3, cellule modello ampiamente utilizzate nella biologia molecolare.
Gli esperimenti hanno evidenziato risultati significativi:
- 80% delle cellule si è allineato seguendo la geometria del campo elettrico indotto
- 50% delle cellule ha mostrato una deformazione del nucleo, fenomeno noto come nuclear squeezing
Questi risultati dimostrano la capacità del sistema di influenzare direttamente la morfologia cellulare e la dinamica del movimento, due parametri fondamentali nei processi biologici.
Monitoraggio avanzato con microscopia olografica digitale
Uno degli aspetti più innovativi della piattaforma è la possibilità di osservare il comportamento cellulare in tempo reale grazie alla microscopia olografica digitale.
Il ricercatore Pietro Ferraro del Cnr-Isasi sottolinea che il sistema permette di scrivere e cancellare i segnali elettrici dinamicamente, modificando l’ambiente elettrico delle cellule durante l’esperimento.
Questo consente di studiare per la prima volta come una cellula viva adatti traiettoria, forma e comportamento in risposta a un campo elettrico che cambia nel tempo, attraverso mappe quantitative di fase.
Nuove prospettive per medicina rigenerativa e neuroscienze
La possibilità di manipolare le cellule senza contatto fisico e con altissima risoluzione spaziale apre scenari applicativi molto ampi, tra cui:
- ingegneria dei tessuti
- medicina rigenerativa
- stimolazione neuronale
- studio della comunicazione elettrica tra cellule.
Eliminando i limiti della litografia tradizionale e la necessità di alimentatori esterni, la piattaforma si propone come uno strumento di ricerca di nuova generazione per la biologia cellulare e la bioingegneria.
Il progetto di ricerca
Lo studio è stato sviluppato nell’ambito del progetto PRIN 2022 “All-optical Stimulation and Sensing Of Neurons on fErroelectric platform (ASSONE)”, dedicato allo sviluppo di tecnologie ottiche avanzate per lo studio e la stimolazione delle cellule neuronali.
